地铁车站基坑施工对紧邻既有轻轨高架桥安全影响分析

李 翠

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

随着地下空间的开发利用越来越频繁，各种通道工程上跨、下穿既有建、构筑物的情况也越来越多。基坑及地下工程在施工过程中，会引起周边邻近建、构筑物的变形和受力状态发生改变，影响结构安全。通过安全性影响评估，可以客观的预测本工程施工对既有建、构筑物的影响程度及可能带来的危害。

1 工程概况

1.1 工程概况

本车站位于轻轨站北广场东侧，主体沿东南至西北设置。车站范围内地面高程4.7～5.4 m。距离车站南侧7.5 m为既有高架桥墩，其下桥桩位于该明挖基坑施工的变形影响范围内，且小于0.7H(H为基坑深度，H=19.5 m)，风险等级判定为Ⅰ级。

1.2 轻轨设计概况

(1)设计活载：每列车为4节车厢，每节车厢重560 kN，其轴重为140 kN。

(2)桥跨结构宽度：8.8 m。

(3)上部构造：4#墩上、下连续梁各长20 m。

桥跨结构横断面结构全桥一致，为单箱双室，箱梁顶宽8.8 m，底宽4.768 m，梁高1.25 m，C40混凝土现浇箱梁，如图1所示。

(4)线路结构：无砟轨道形式，有缝线路。另本位置线路靠近终点站，即基坑临近既有快轨站，列车运行速度及加速度均较小。

图1 桥跨及基础断面图

(5)下部构造：桥墩为柱式钢筋砼矩形墩。桥墩断面尺寸为2.0 m×1.5 m，桥墩基础采用挖孔灌注桩单桩，直径3.2 m，桩长21 m，桩体为C25混凝土。

1.3 车站设计情况

工程区间地层自上至下依次为：素填土、粘土、中风化石灰岩。由于车站南侧邻近轻轨，为控制变形采取如下措施对其加强：①采用∅800 mm@1 000 mm钻孔灌注桩。②基坑采用3道支撑，且首道撑为钢筋混凝土支撑。③围护桩外排+桩间设置基岩帷幕注浆。

2 控制指标分析

施工前需对轻轨4#、5#、6#桥墩、10号桥第2联4跨箱形桥梁，进行初始踏勘，勘明桥梁结构形式、基础类型、建筑材料、养护情况等，并结合《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJT 202-2013)制定控制指标如表1所示。

表1 城市轨道桥梁及轨道控制指标

3 建立计算模型及结果分析

3.1 计算模型及计算假定

采用MIDAS-GTS有限元软件建立地层—结构模型，岩土层采用弹塑性模型，Mohr-Coulomb准则，土层参数以及支撑材料参数如表2、表3所示。模型尺寸：105 m×100 m×55 m，在横向、深度方向各取超过结构一倍尺寸，模型范围涵盖基坑开挖施工引起地层应力变化的主要范围。四立面为法向约束，顶面为自由面，底面为垂直方向约束[1]。荷载主要考虑土体自重(含超载)、列车荷载、结构自重。

表2 地层物理力学参数

表3 结构物理力学参数

列车荷载按《地铁设计规范》(GB 50157-2013)中10.3条中活载选择，为简化计算，本次计算仅考虑列车竖向静活载、立车竖向动力作用，荷载作用位置以4#墩中心为中心对称均匀分布，不考虑轨道弹性扣件影响，假定列车荷载直接作用在桥梁桥跨结构上表面。模型如图2所示。

图2 车站与轻轨高架桥梁三维模型网格图

3.2 施工工况分析

根据工艺特点，选取各阶段工况[2]见表4。

表4 工况及施工阶段

3.3 计算结果及分析

3.3.1 工况一：施工前的初始状态

首先模拟大连地铁5号线车站及前后区间施工前的初始状态。初始工况承受荷载主要为地层及轻轨高架桥梁的自重荷载和列车荷载，见表5～表7。

3.3.2 工况四：车站主体基坑开挖施工完成

工况四计算结果见图3。

根据图3可以看出，在基坑开挖的施工期间，既有的轻轨高架桥下部及上部结构发生位移变形，其中桥墩的竖向位移与水平位移较为明显，其中竖向位移最值约为0.324×10-2mm、-1.397×10-2mm；桥墩水平位移的最值约为0.367×10-2mm、-0.389×10-2mm；相邻桥墩的最大沉降值约为1.697×10-2mm；顶部的最大倾斜值为-0.45×10-5。轻轨高架桥跨结构的竖向最大位移值为0.316×10-2mm，最小位移值约为-1.38×10-2mm；桥跨结构水平位移最值约为-0.178×10-2mm、-0.867×10-2mm；桥墩应力最大值为756.22 kN/m2。

表5 工况一计算结果

图3 工况四计算结果

表6 工况一轻轨相邻桥墩差异沉降值 10-2 mm

表7 工况一桥跨结构位移值 10-2 mm

3.3.3 工况七：施作车站顶板结构

在施作车站顶板期间，既有的轻轨结构发生位移变形，其中桥墩的竖向位移与水平位移较为明显，其中竖向位移最值约为0.218×10-2mm、-1.786×10-2mm；桥墩水平位移的最值约为0.477×10-2mm、-0.499×10-2mm；相邻桥墩的最大沉降值约为2.04×10-2mm；顶部的最大倾斜值为0.664×10-5。各工况下轻轨高架桥梁位移极值情况见表8。桥跨结构的竖向最大位移值为0.218×10-2mm，最小位移值约为-1.786×10-2mm；桥跨结构水平位移最值约为0.477×10-2mm、-0.499×10-2mm；桥墩应力最大值为763.03 kN/m2。

表8 各工况下轻轨高架桥梁位移极值汇总表

4 结论及建议

4.1 结论

(1)在前6个施工阶段中桥墩及桥跨结构最大水平位移发生在基坑开挖至基底阶段。

(2)在前6个施工阶段中桥墩及桥跨结构最大竖向位移发生在施作车站中板及负一层侧墙结构及拆除第2道支撑阶段。

(3)从工况七可以看出顶板施作完成拆除首道混凝土支撑较为重要，应待顶板混凝土强度完全达到设计强度后方可拆除首道支撑。

(4)形成基坑各施工阶段结构变形均能满足表1中桥梁控制值、轨道控制值要求，并有较大的富余量。

4.2 既有轻轨监测建议

对轻轨结构的监测十分必要，应针对监测点的累计值及变化趋势适时启动应急措施。对既有轻轨桥墩及桥跨结构的位移、倾斜、水平位移变形情况实施24 h自动化监测，可根据既有结构受影响程度增加或减少测量频率，根据需要随时增加测量点，并及时分析整理测量资料。

4.3 其他措施建议

(1)基坑开挖应严格按照设计步序和参数进行，支撑应及时架设，确保基坑及周边环境可控。

(2)基坑开挖过程中，坑顶周围地面2 m范围内不应增加附加荷载，2 m范围外附加荷载不得超过20 kPa。

(3)施加预加轴力过程中应及时监测，如需要应及时补加。